淺析生物醫療傳感器技術

過去，醫生收集病人信息的方式比較簡單，基本上都是“望聞問切”以及簡單的檢查。我國在上世紀六十年代建立了醫學工程，多種高科技醫療設備被開發出來，大大豐富了醫生收集病人信息的方式，也提高了診療和治療的整體水平。在醫學領域，傳感器起到的是“耳目”的作用。

醫用傳感器

醫用傳感器是應用于生物醫學領域的那一部分傳感器，是把人體的生理信息轉換成為與之有確定函數關系的電信息的變換裝置。它所拾取的信息是人體的生理信息，而它的輸出常以電信號來表現。

人體生理信息有電信息和非電信息兩大類，從分布來說有體內的（如血壓等各類壓力），也有體表的（如心電等各類生物電)和體外的(如紅外、生物磁等）

醫用傳感器的基本要求

醫用傳感器作為傳感器的一個重要分支，其設計與應用必須考慮人體因素的影響，考慮生物信號的特殊性、復雜性，考慮生物醫學傳感器的生物相容性、可靠性、安全性。

1、傳感器本身具有良好的技術性能，如靈敏度、線性、遲滯、重復性、頻率響應范圍、信噪比、溫度漂移、零點漂移、靈敏度漂移等。

2、傳感器的形狀和結構應與被檢測部位的解剖結構相適應，使用時，對被測組織的損害要小。

3、傳感器對被測對象的影響要小，不會對生理活動帶來負擔，不干擾正常生理功能。

4、傳感器要有足夠的牢固性，引進到待測部位時，不致脫落、損壞。

5、傳感器與人體要有足夠的電絕緣，以保證人體安全。

6、傳感器進入人體能適應生物體內的化學作用，與生物體內的化學成分相容，不易被腐蝕、對人體無不良刺激，并且無毒。

7、傳感器進入血液中或長期埋于體內，不應引起血凝。

8、傳感器應操作簡單、維護方便，結構上便于消毒。

醫用傳感器的用途

檢測生物體信息

如心臟手術前檢測心內壓力；心血管疾病的基礎研究中需要檢測血液的粘度以及血脂含量。

臨床監護

如病人在進行手術前后需要連續檢測體溫、脈搏、血壓、呼吸、心電等生理參數。

控制

利用檢測到的生理參數，控制人體的生理過程。如電子假肢等。

檢測的指標

醫用傳感器的分類

按應用形式分

植入式傳感器、暫時植入體腔(或切口)式傳感器、體外傳感器、用于外部設備的傳感器

按工作原理分

1、化學傳感器

利用化學反應原理，把化學成分、濃度轉換成電信號

化學傳感器是利用化學性質與化學效應制成的傳感器。這種傳感器一般是通過離子選擇性敏感膜將某些化學成分、含量、濃度等非電量轉換成與之有對應關系的電學量。比如說：不同種類的離子敏感電極、離子敏場效應管、濕度傳感器等。

生物醫學用各種化學換能器測量的化學物質有：K+、Na+、Ca2+、Cl-、O2、CO2、NH3、H+、Li+ 等。

2、生物傳感器

利用生物活性物質選擇性識別來測定生化物質

生物傳感器是采用包含有生物活性物質作為分子識別系統的傳感器。這個傳感器一般是利用酶催化某種生化反應或者通過某種特異性的結合，檢測大分子有機物質的種類及含量，就是最近半個世紀發展起來的新型傳感器。比如：酶傳感器，微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、DNA傳感器等。

3、物理傳感器

利用材料的物理變化

物理傳感器是利用物理性質和物理效應制成的傳感器。屬于這種類型的傳感器最多，比如說金屬電阻應變式傳感器、半導體壓阻式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器等。

各種物理傳感器檢測的內容

4、生物電電極傳感器

肌體的各種生物電，包括：心電、腦電、肌電、神經元放電等

按人體器官的仿生類型分

視覺傳感器

包括各種光學傳感器以及其他能夠替代視覺功能的傳感器；

聽覺傳感器

包括各種拾音器、壓電傳感器、電容傳感器以及其他能夠替代聽覺功能的傳感器；

嗅覺傳感器

包括各種氣體敏感傳感器以及咒他能夠替代嗅覺功能的傳感器。

這個分類方法有利于仿生傳感器的開發。

除了廣述列舉的常見傳感器分類方法以外，還會根據傳感器材料、傳感器結構、能量轉換分式等多種分類方法，都具有各自的優點與局限性。

除了這些常規的醫用傳感器設備，隨著可穿戴設備和物聯網應用的不斷創新和發展，在醫療領域和遠程監護方案中，新應用不斷投入使用或即將臨床試驗通過。

納米智能線監測人體機能

肌肉與髖關節的診斷往往很復雜，且價格不菲。人一旦意識到這些部位有所不適，往往為時已晚。較深的傷口與手術內切口情況也是如此。

有一種傳感器可以無縫植入人體，并且能在體外接收到實時監控信息。首先它不會引發感染或機體免疫反應。同時，這種傳感器在嵌入之后還不能影響組織的正常機能，比如肌肉的拉伸性。

現今的醫學傳感器都是剛性的，這就導致它們無法監測皮膚等組織。但很多器官和組織都是三維的多層生物結構。監測這些組織就需要線這樣的傳感器。

用浸有液體的細線縫合傷口

納米材料可以是有機的也可以是無機的，可以具有生物活性也可以是惰性的，它還可以被設計成具有某些物理化學特性的醫學傳感器，比如，多樣性的碳納米管。它的導電性是可以定制的，也正因如此，碳納米管正逐漸成為新一代傳感器和晶體管的基體材料。此外，碳納米管還可以監測DNA和蛋白質單分子。有機納米聚苯胺同樣有廣泛應用，它最顯著的特性就是其導電性取決于環境的酸堿度。

將普通線頭浸入含有不同納米材料的液體，然后迅速將其烘干。這些線頭的性能取決于溶液中納米材料的特性。

將具有碳納米管和硅涂層的柔性橡膠纖維制作成傳感線頭，它就可以檢測物理應力。當這種傳感線頭受到拉伸時，它的導電性就會改變，我們就能夠在機體外部檢測到這種變化。

把它植入人體，它就可以用來監測傷口愈合和肌肉拉傷狀況。當有異常應變發生時，說明傷口在緩慢愈合，或者裝置放置不當。這就可以及時提醒醫生和患者做出相應調整。

將一根線頭涂覆碳納米管和聚苯胺納米纖維，另一根涂覆銀和氯化銀，檢測兩根線頭間的電流強度可以檢測組織酸度，這是判斷傷口是否受感染的重要依據。

葡萄糖氧化酶跟葡萄糖反應會產生電信號，因此涂覆葡萄糖氧化酶的傳感線頭就可以監測人體血糖水平。同樣的道理，在導電線頭中涂覆其他一些納米材料還可以監測血液中的鈉、鉀含量，它們是血液代謝的標志物。

用物理化學方法做成的智能線頭可以將檢測信息傳送到皮膚表面的發射器上

除了感應能力，很多材料的線頭還有一個有用特性：芯吸。它可以利用毛細效應疏導液體，跟燈芯輸運液蠟維持火焰是一個道理。

棉線可以將細胞間隙的液體輸運到體內各處的傳感線頭。傳感線頭將電信號傳遞給皮膚外表的一個裝有紐扣電池和小天線的彈性裝置。該裝置將信號放大并且數字化，最后將信號無線傳輸給智能手機等設備。這樣，醫生就可以持續地對患者的健康狀況進行遠程監控。

這種集成化的無線監控系統有很多優勢。首先，患者更自由了，沒必要非得住院。其次，實時收集的數據為醫生提供了更準確的參考信息。另外，它還降低了醫療成本。

線頭有很廣泛的應用前景。糖尿病患者的傷口有難以愈合的風險，這可能會導致感染，甚至截肢。用傳感線頭縫合則可以讓醫生在早期就發現問題，并及時做出反應以防止病情進一步惡化。傳感線頭還可以做成繃帶、傷口敷料甚至醫院床單，它可以在病情失控前就發出預警。

無線心臟傳感器

心力衰竭是老年人最常見的住院病因，心衰患者怎樣在家就能得到很好的監測呢？如果能夠隨時監測患者的心臟收縮、心臟舒張以及平均肺動脈壓等監測數據，調整患者的治療方案，是否可以減少了心衰病人的住院時間。

心衰患者的無線、植入式血流動力學監測系統包括一個永久植入肺動脈的傳感器/監控器，一個經靜脈導管用于傳送和部署傳感器，一個電子系統用于獲取和處理來自傳感器的信號，并將肺動脈壓力測量值傳送到一個安全的數據庫。

遵照程序，病人在家里無線監測其肺動脈壓力，數據立即傳送到安全的數據庫，供醫生可通過網站實時監測。

結果顯示，應用無線植入器進行遠程血液動力學監測，以指導心衰治療，可有效降低慢性心衰患者（CHF）術后18個月的心衰住院率。

既往結果表明，隨訪6個月時，肺動脈壓指導治療組的心衰住院率較標準藥物治療組降低30%。而此次的18個月隨訪結果發現，肺動脈壓指導治療組的心衰住院率較標準藥物治療組進一步降低達39%。

織入襪子的溫度傳感器

一款可以檢測糖尿病患者健康狀況的智能襪子，可以通過溫度傳感器檢測患者是否出現了炎癥。

OFweek傳感器網訊 近日，據媒體報道，CES 2017上出現了一款可以檢測糖尿病患者健康狀況的智能襪子，它來自初創的企業Siren Care。該襪子可以通過溫度傳感器檢測患者是否出現了炎癥。

據悉，1型和2型糖尿病最容易出現足部腫脹的狀況，假如沒有及時檢測出來，腫脹會演變為更加嚴重的疾病，造成患者足部感染，甚至需要截肢。因此，對足部的狀況監測可以保證提早預防各種并發癥的發生。這款智能襪子的內置傳感器就能對早期檢測起到關鍵作用。

智能襪子雖然是一款可穿戴設備，但不需要經常充電。每個襪子的內置電池都充滿電量，可以使用六個月。只要穿上襪子，其內置傳感器會自動啟動。襪子一旦被脫下，傳感器則會自動關閉，進入睡眠模式。

此外，這款襪子支持機洗，患者至少可以穿六個月，所有的數據都存儲于襪子的傳感器、手機App以及云盤中。當足部出現損傷時，襪子可以檢測到高溫差，然后通過App會發出警報，提醒患者足部出現了問題。

智能健身T恤的內置心率傳感器和GPS定位

這款健身數據跟蹤設備可以直接在 T 恤里面完成健身數據的跟蹤。

T恤采用無袖設計，它里面縫合了運動傳感器，并且是嵌入織物當中，很薄且不引人注意。這就意味著，運動者無需佩戴額外的監測設備，比如腕帶設備或者是胸前設備。另外，這個T恤還設計了一個小型傳感器，位于后領上。

這個傳感器上還附帶有GPS，可用于確定運動員的速度，距離和加速度。另外，官方還打造了一個專門的iPad應用，可以實時顯示數據，允許教練跟蹤每個運動員的表現，并根據需要調整訓練計劃，有效地監控訓練營期間的工作量。

檢測癌癥的“薄膜”傳感器

一種新型生物電化學檢測芯片，是基于聚合物自組裝膜制備的生物電化學傳感器，它將使癌細胞的檢測變得如同血糖儀檢查一樣簡單，為癌癥的提早預防提供可能。

目前，國內各大醫院常用的體液檢測手段是免疫固定電泳法，其檢測成本高、設備要求嚴、檢測時間長，讓大量的患者失去了治療疾病的黃金時期。這款薄膜生物電化學傳感器以患者發病早期血液中會分泌出極其微量的單克隆球蛋白及游離輕鏈為契機，將識別此蛋白的抗體嫁接于電極表面的高分子微孔膜基體，通過二者的專一識別性，在電化學工作站的幫助下，放大成化學信號，成功實現在發病初期檢查癌細胞的功能。

進行臨床試驗，從樣品采集到注入、檢測和醫療分析等整個過程，僅僅耗時10分鐘，且成本低、精確性好。該項技術與醫院常使用的免疫固定電泳法相比，檢測靈敏性提高了500倍。不僅如此，該項技術配套的檢測設備成本僅8萬元，降低了檢測準入，可廣泛應用。

作為一種新型生物傳感器使用平臺，此技術可以運用到更廣闊的技術領域，如白血病、尿毒癥、淋巴癌、肝癌等重癥的提早診斷，甚至在環境監測、軍用探測領域取得更長遠的發展。

用呼吸檢測疾病的傳感器

我們的呼吸中含有一系列關于自身健康的信息，它們以分子形態存在，其存在與否和濃度可以作為疾病檢測的生物標記物，有一種能檢測許多不同分子，并將這些生物標記物與17種疾病相關連的呼吸傳感器。

人體呼出的氣中含有氮氣、二氧化碳和氧氣，以及少量的100多種揮發性化學成分。這些物質的相對數量會根據人體健康狀況而變化。比如，糖尿病就會產生一絲甜味。

不過目前的呼吸分析儀大多集中在單一類型的疾病，只會檢測單個標記物，其使用范圍和篩選能力也有限。

使用質譜來鑒定與疾病相關的呼吸成分，讓研究人員發現，基于不同量的13種成分，每種疾病會產生獨特的揮發性化學印記。他們還發現，一種疾病的存在，不會妨礙其它疾病的檢測，這也是以非侵入性的方式，檢測和診斷各種疾病的先決條件。

這種傳感器由一系列特別制備的金納米顆粒傳感器，和基于單壁碳納米管的隨機網絡的傳感器組成。它真正特別的地方在于，可以收集患不同疾病的數千患者的呼吸樣本，并用人工智能軟件找到數據中的相關性。

得益于研究中的人工智能組件，該系統對17種不同疾病的平均診斷準確性在86％，包括諸如癌癥，克羅恩病，兩種類型的帕金森病，先兆子癇和肺動脈高壓等。

在現代醫學實驗技術成熟前，醫生曾通過聞病人的呼吸來診斷一些疾病，尋找疾病線索?，F在看來，這種靠呼吸來檢測疾病的方法，由人工智能實現的更加精準。

納米熒光傳感器準確切除腫瘤組織

一種新型納米熒光傳感器可以特異性地在腫瘤組織“打開”并發出熒光，幫助醫生準確切除腫瘤組織，并在最大程度上保留正常組織。

據研究人員報道，這項突破性的技術適用于任何類型的腫瘤，研究人員將這種納米探針注射到小鼠的腫瘤組織后，一旦接觸腫瘤細胞，這種探針就會打開并照亮腫瘤組織。

人腫瘤組織偏酸性，研究人員利用了腫瘤組織的這個特點。

對許多腫瘤而言，手術是首選治療方案。但是要完全清除腫瘤組織并盡可能保留正常組織在目前仍然是一個巨大的挑戰，因為目前的影像技術不夠靈敏，無法準確區分腫瘤組織與非腫瘤組織。

而這項新技術使用了臨床批準的熒光染料，可以通過全世界醫院正在使用的標準照相機進行成像。這種納米探針就像傳感器一樣，只有所處環境的pH值低于閾值時，它才會打開并發出熒光。

研究人員在小鼠頭頸癌模型中進行了實驗，他們發現在手術中使用這種探針具有極強的特異性和敏感性，它甚至可以照亮直徑小于1mm的腫瘤結節。

進行手術時，這種探針可以為外科醫生準確描繪出腫瘤邊界。這是一種納米尺度的開關技術，迄今為止還沒有任何一項技術具有這么高的精確度。

制備這種探針相對簡單，因此成本也不高，這項技術可以用于人體內腫瘤邊界的檢測。

讓腦細胞發光的神奇傳感器

有一種最新型的生物發光傳感器，可以讓單個的腦細胞像螢火蟲那樣，在黑暗中閃閃發光熠熠生輝。它通過對熒光素酶這種生物酶進行基因改造而發明出來。很多生物，比如螢火蟲，之所以會發光就是利用了這種酶。

那么，這種研究方法可以用來做什么呢？答案是：追蹤大腦中大型神經網絡的內部互動情況。

長期以來，神經系統科學家依靠電訊號紀錄神經元的活動。該方式雖然能起到很好的檢測效果，但卻只能用于少量神經元。而這種新方法可以使用光學技術，同時記錄數百個神經元的活動。

光學紀錄的方式一般使用熒光，這需要很強烈的外部光源。它帶來的副作用就是引起生物組織發熱并且直接一些生物進程，尤其是那些對光敏感的活動。

如果他們把發光現象和光遺傳學相結合，就可以創造一種新的生物手段，通過光來控制活體組織中的細胞，尤其是神經元細胞——這將成為研究大腦活動的強有力新型武器。

研究人員把發光感應器附在一種病毒上，該病毒可以感染神經元，這樣感應器就進入了神經元細胞內部。聽起來還蠻嚇人的對不對？然后研究人員選擇鈣離子作為神經元活動的信號標志。首先，感應器一旦遇到鈣離子就會發光；其次，鈣離子參與神經元的活化過程——神經元外的周圍環境中鈣含量往往較高，但是細胞內部含量很低，但是在神經元受到來自“鄰居（另一個神經元）”的刺激時，鈣含量會短暫達到尖峰水平。傳感器通過增亮和變暗來響應鈣濃度的變化 —— 這證明感應器對一群神經元能同樣起到檢測作用。

看這幅照片，神經元被感應器發出的光芒點亮，想不想茫茫宇宙中一顆耀眼的星星？本來人體中就蘊含著浩如煙海的未解之謎，希望這個頗具傳奇色彩的發現能帶給人類更多答案。

傳感器因其處在采集數據的最前哨，在醫療健康領域一直是個重要角色。結合新材料、納米技術、生物技術，以及供電技術、新型通訊技術等相關傳感器領域的周邊技術發展，催生了一批以創新傳感器技術為核心的醫療健康新興產品與服務模式。新型的醫療傳感器具有更靈敏、微型化、便捷、成本低、無創或者微創、互聯性等優點。 為人類醫學的進步發展起到了不可磨滅的貢獻。